A vezértengely-állítókról

motortechnika

A vezértengely-állítókról A szelepnyitás- és -zárás szöghelyzete, valamint a szeleplöket döntõ befolyással bír a négyütemû motorok forgatónyomatékának, teljesítményének az alakulására és a károsanyag-kibocsátásra. Ennek érdekében fejlesztették ki a vezértengely-állítók számos változatát. A fokozatmentes vezértengely-állítók az utóbbi években nagy darabszámban épültek be a korszerû Otto-motorokba. Az állítók új generációjával, mely az irányváltó motor elvén alapul, igen gyorsan és üzembiztosan lehet nagy elfordulási szöget beállítani. Ezen állítók felépítése egyszerû, gyártási költségei kisebbek, mint az elõzõ generációké. Az új mechatronikus rendszer mûködése függ a hidraulikus vezérlés és a motorelektronika együttmûködésétõl és összehangolásától. A nürtingeni Hydraulik Ring cég az új, fokozat nélkül mûködõ rendszerét „VaneCAM” elnevezéssel jelöli, melyet szabadon forgólapátos, vezérlõegységgel támogatott szerkezetnek nevezhetnénk. Cikkünkben nemcsak az új VaneCAMrendszert ismertetjük, hanem történeti áttekintést adunk a vezértengely-állítók fejlõdésérõl.

Bevezetés és történeti áttekintés A szelepek nyitását és zárását alapvetõen a vezértengelynek/tengelyeknek a forgattyús tengelyhez viszonyított helyzete (nevezzük ezt vezérlési idõnek) és a bütyök formája határozza meg. Állandó helyzetû („merev”) vezérlési idõkkel csak kompromisszum hozható létre. Milyen az ideális vezérlési idõ? Indításkor és üresjáratban a szívószelep „késõi” és a kipufogószelep „korai” zárása az optimális megoldás.

24

1. ábra: vezértengely-állító szabadalom 1918-ból

A szívó oldali vezértengelyt ezért „késõi”, a kipufogó oldali vezértengelyt pedig „korai” állásba kell elforgatni. Ha a közepes fordulatszám-tartományban a hajtásrendszertõl nagy nyomatékot követelünk, jó hengertöltést kell biztosítani. Mivel a friss gázkeverék beáramlási sebessége ebben a helyzetben kicsi, a szívószelepet „koraira” kell állítani, azaz röviddel az alsó holtpont után zárni kell, hogy az értékes keverék ne áramolhasson visszafelé. Ez a szívó vezértengely „koraira” állításával érhetõ el. Ugyanez szükséges az emisszió és a fogyasztás csökkentése érdekében is. Növekszik viszont a szelepek átfedési ideje, és így növekszik a hengerben maradó gáz mennyisége. Jön a belsõ kipufogógáz visszavezetés. Következmény: a kisebb égési hõmérséklet és a kevesebb NOx-kibocsátás. A kipufogó vezértengely „kései”-re állításával ez a hatás fokozható. Teljes terhelésnél és nagy fordulatszám esetén ismét a kipufogószelep „késõi” nyitása a kívánatos. Ezzel az expanzió hatása a dugattyún hosszabb ideig érvényesül. A szívószelep egyidejû „késõire” állításánál a friss gázkeverék nagy beáramlási sebességével mintegy utántöltõ hatást fejt ki, azaz jó töltés érhetõ el a felsõ fordulatszámtartományban. A kis átfedésnél pedig kevés a visszamaradó gáz a hengerben, ez jó teljesítményt ad. Így jutunk el a szelepvezérlési idõ koraira/késõire változtatásának szükségességéhez. A változtatható szelepvezérléssel sikerült olyan motorfejlesztési célkitûzéseket mint a fajlagos tüzelõanyagfelhasználás, a kipufogógáz-összetételi arányok, a forgatónyomaték és a maximális teljesítmény, kedvezõ irányban befolyásolni. Közel 20 éve keresik a motorfejlesztõk a nagy motoroknál alkalmazható költségkímélõ megoldási lehetõségeket. Esetünkben egy egyszerûen megvalósítható vezértengelyállító szerkezetrõl van szó, melynél a vezérlési idõk üzembiztosan betarthatók. A szögelfordulás folyamatos változtat-

autótechnika 2002/9

motortechnika

2. ábra: az Alfa Romeo vezértengely-állítója 1983-ból 1 – vezértengely; 2 – olajbevezetõ gyûrû; 3 – ferde fogazás; 4 – lánckerék; 5 – vezérlõszelep; 6 – löketmágnes; 7 – fogaskerékagy; 8 – egyenes fogazás; 9 – állítódugattyú; 10 – visszaállító rugó

Mechanikus mûködési elv Mechanikus mûködési elv

Hidraulikus mûködési elv

A dugattyú vagy a nyeleskerék axiális eltolása a vezértengelyben vagy azon kívül

Szíj-, vagy láncállítás a vezértengelyhajtáson

Bolygókerékhajtás a vezértengelyhajtáson

Irányváltó motor állítás a vezértengelyen

Differenciálhajtás a vezértengelyen Szíj-, vagy láncállítás a vezértengelyhajtáson Centrifugális állítás a vezértengelyen

3. ábra: vezértengely-állítók csoportosítása

hatósága, szemben a két végpont (fekete/fehér) beállításával, fokozottan segíti a motorikus paraméterek javítását. Napjaink szériamotorjain, az irányváltó motor elvén dolgozó fokozat nélküli vezértengely-állítókkal találkozunk. A rendszer kifejlesztése feltételezte a hidraulikus vezérlés és a korszerû motormenedzsment üzembiztos együttmûködését, mely a beszállítók számára újabb piacszerzési lehetõségeket jelent. Évtizedekkel ezelõtt, 1918. szeptember 29-én jelentették be Samuel Haltenberger feltaláló szabadalmát az Otto-motorok vezértengelyének állítására. Haltenberger a repülõgépmotorok vezértengelyeinek az elforgatására egy egyenes/ferde fogazású, tengelyirányban elmozgatható szerkezetet fejlesztett ki, melynek mûködtetését a repülési magasság függvényében a légnyomás változása adta. Az 1. ábrán látható az állítóberendezésnek a szabadalmi bejelentéshez csatolt metszeti képe. A kívül egyenes, belül ferde fogazású hüvelyt (2) a levegõ nyomása axiális irányban, az állítórudazat (4) segítségével eltolja. Ezzel a vezértengely (1) szöghelyzete a forgattyús tengellyel összekapcsolt kúpkerékhez (3) képest megváltozik. Haltenberger szabadalmi bejelentésétõl a sorozatgyártásig 65 évnek kellett eltelni. Hasonló mûködési elven – azaz az egyenes/ferde fogazású hüvely eltolásával – oldották meg 1983-ban az Alfa Romeo kétszelepes motorjánál a két vezértengely állítását a 2. ábrán látható megoldásban. Az állítót a szívószelepek vezértengelyének végére szerelték fel, mely két (vég)állásban teszi lehetõvé a vezérlési idõk állítását. Üresjáratban a „késõi” vezérlési idõállítást egy visszahúzó rugó (10) tartja fenn, és az olajnyomás, valamint a fordulatszámnövekedés függvényében történik meg az átállítás a „korai” vezérlési idõre. Eközben a motorolaj nyomását egy, a vezérlõszelepet (5) mûködtetõ mágneses löketállítón (6) keresztül a ferde fogazású állítódugattyúra (9) vezetik. A dugattyú és a vezértengely ferdefogazású kapcsolódásán keresztül a dugattyú axiális eltolásával a vezértengely a lánchajtáshoz, és így a forgattyús tengelyhez képest elfordul. Látható, hogy a rendszer elvi mûködése hasonló az 1918-ban szabadalmaztatott megoldáshoz.

A vezértengely-állítók három generációja

4. ábra: az AUDI V6 motor láncos vezértengely-állítója

autótechnika 2002/9

Az ismert vezértengely-állítók különbözõ mûködési és mûködtetési elvek szerint oszthatók fel. A szakmában mintegy 900 különbözõ – kizárólag a vezértengely-állítás tematikájával foglalkozó – szabadalmi bejelentés ismeretes. Ezzel a fejlesztési területtel foglalkozó vállalatok világszerte így védik gondolataikat. Az Alfa Romeo vezértengely-állítójának szériaszerû bevezetését követõen, az utóbbi 15 évben a bejelentések száma exponenciálisan növekedett. A 3. ábra a vezértengely-állítók csoportosítását mutatja be. Megkülönböztethetõk mechanikus és hidraulikus mûködtetésûek, mûködési elvük pedig hasonló az Alfa Romeo állítójához, azaz egy dugattyú axiális irányú eltolása és a ferde fogazású kapcsolódással létrehozott szögelfordulással. A szériamotorokon lényegében három elv alkalmazásával találkozhatunk, melyeket a 3. ábrán szürke színnel különböztetnek meg. Az elsõ csoportba tartoznak az Alfa Romeo-

25

motortechnika

A Renault Vel Satis gépkocsi motorjánál is hasonló vezérmûtengely-állítási megoldással találkozunk. Az 1-es ábra a VaneCaM típusú állítószerkezet elemeit mutatja. A motor-ECU a mágnesszelepet négyszögjellel vezérli. Az impulzus idõtartamának a növelésével vagy csökkentésével lehet módosítani a szívószelepek fázisszögét. Amikor a vezérmûtengely a kívánt pozícióba kerül, az ECU stabilizálja a két forgórész (hajtó, hajtott) egymáshoz viszonyított helyzetét. Ennek megfelelõen számtalan közbensõ beállítási helyzet létezik. A 2. ábra az egységet összeszerelt állapotában mutatja, az elektrohidraulikus vezérlõszelep és a reteszelõdugattyú körébe kötve. 1

3

2

4 6 5

7

Zárási késedelem növelésekor, azaz késõi szívószelepzárásnál az ECU csökkenti a vezérlés idõtartamát (t). Az elektrohidraulikus szelep tolattyúja balra mozdul el. Az olajnyomás bejut a (b) olajcsatornába. Az (a) olajcsatorna a visszavezetõ furattal kerül összeköttetésbe. A (d) kamrában a nyomás megnövekszik, a (c) kamrában pedig lecsökken. A vezérmûtengely a nagyobb zárási késedelmet adó pozícióba fordul el. (Vagyis a hajtó fogaskerék forgásával ellentétes irányban.) Ebben a helyzetben a reteszelõdugattyú (4) a hajtó fogaskeréken lévõ ülésével szembekerül. A rugó ereje erõt fejt ki a reteszelõdugattyúra és ebben a helyzetben rögzíti.

8 1. ábra: a vezértengely-állító szerkezeti elemei: 1 – vezérmûtengelyre rögzített lapátkerék, 2 – hajtó fogaskerékre rögzített gyûrû, 3 – hajtó fogaskerék, 4 – az állítószerkezet fedele, 5 – reteszelõdugattyú, 6 – a szegmensek tömítõelemei, 7 – a szegmensek rugói, 8 – rögzítõcsavarok

nál alkalmazott ferde fogazáshoz hasonló mechanikus erõhatású megoldások. A második és a harmadik csoportnál már hidraulikusan mûködtetett láncos kivitelû vezértengelyállításról van szó. Ennél a megoldásnál a vezértengely végén elhelyezett láncelem hidraulikus mûködtetésével történik meg a vezértengely állítása. A harmadik csoportba tartoznak az ugyancsak szériamotorokon használatos, az irányváltó motor elvén dolgozó hidraulikus rendszerek. A 3. ábrán bemutatott további csoportok a szériabevezetés szempontjából jelentéktelenek.

2. ábra: a vezértengely-állító szerkezeti elemei és munkaterei: a, b – olajcsatornák, c, d – gyûrûkamra, t – vezérlési idõ (testelés), 1 – vezérmûtengelyre rögzített lapátkerék, 2 – hajtó fogaskerékre rögzített gyûrû, 3 – hajtó fogaskerék, 4 – reteszelõdugattyú, 5 – vezérlõ elektrohidraulikus mágnesszelep, 6 – mágnesszelep szeleptûje, 7 – olajnyomás, 8 – olaj-visszavezetés

gattyús tengelyrõl a meghajtást mindig a kipufogószelepek vezértengelye kapja, mely egy rövid lánchajtással kapcsolódik össze a szívószelepek vezértengelyével. A láncfeszítõt pedig magába az állítóba építették be. A vezértengely végére szerelt szerkezet egészen rövid

Az elsõ generáció: kétpontos (két véghelyzet) állítók A vezértengely-állítók elsõ generációja a vezértengely elforgatását két (vég)állásra tette lehetõvé. Az Alfa Romeo példáját követve több vállalat, mint a DaimlerChrysler, a Ford, a Jaguár, a Nissan, a Porsche és a Toyota hozta piacra egyenes/ferde fogazású szerkezeteit a fogazott szíj-, vagy lánchajtásokba integrálva. A Hydraulik Ring láncos kivitelû vezértengely-állítót fejlesztett ki a Porsche-, az Audi- és a VW-motorokhoz. Az állítót a két vezértengely közé szerelték be, és a for-

26

5. ábra: a BMW hathengeres motorjának kettõs VANOS-rendszere

autótechnika 2002/9

motortechnika

kialakítású. A 4. fotóábra az Audi V6-os, hengerenként ötszelepû motorjánál használt láncos vezértengely-állítót mutatja. A vezérléshez szükséges útszelep vízszintesen helyezkedik el. A fogaskerekes megoldásokkal szemben ez az építési mód kompaktabb és költségkímélõbb. Ezért ezt a megoldást a VAG-konszern több motorjánál jelenleg is alkalmazza. A maximális elfordulási szög a forgattyús 0 tengelyen mérve mintegy 30–35 ft. Az elsõ generációs vezértengely-állítók vezérlése a legtöbb esetben egy elektromágnessel mûködtetett 4/2es útszeleppel történik, ahol a 4 a csatlakozások, a 2 pedig a mûködtetõ állások számát jelenti. A kívánt vezértengelyállásnak megfelelõen történik az állító egyik oldalán az olajnyomás növelése vagy csökkentése. A stabil végállás tartásához kis olajnyomás szükséges, amely meleg motornál és kis fordulatszámnál nem mindig áll rendelkezésre. Továbbá fontos az egyik végállásból a másikba történõ átállás gyorsasága. A vezértengely forgásával ellentétes irányban, a „korai” állításhoz nagyobb energia szükséges, ezért több állítónál az olajnyomásos állítóhoz egy kiegészítõ rugót szerelnek be. Az állítókat értelemszerûen a vezértengely hajtásának a közelében helyezték el. Itt volt legegyszerûbb a hajtás erõfolyamának a megszakítása és ez a legalkalmasabb hely a vezértengely elforgatására is. Az elsõ vezértengely-állítók alkalmazásával a legfontosabb célkitûzés, a maximális teljesítmény növelése, a szívószelep zárásának az eltolásával sikerült. Továbbá a „késõi” vezérlési idõ állítással az üresjárat közeli tartományban is nyugodtabb motorjárás érhetõ el, nem beszélve az üresjárati fordulatszám csökkentésével mérsékelhetõ kipufogógáz-kibocsátásról.

szabályozásállítás

rotor olajtér

arányos mûködésû szelepek

állás „kései”

vezértengely lánchajtás

szeleplöket

6. ábra: az irányváltó motor elvén mûködõ fokozat nélküli vezértengely-állító

kipufogószelep lökete

A második generáció: fokozat nélküli állítók

szívószelep lökete

A második generációt a vezértengelyt fokozat nélkül állító szerkezetek jelentik egyenes/ferde fogazatú mûködtetéssel. Ezt a rendszert a BMW vezette be a hathengerû motorjánál. A VANOS-rendszernél a szívószelep oldalon állítják a vezértengelyt (5. ábra). Az olajnyomás elõállítására nagynyomású szivattyút építettek be. Ezt a kialakítást késõbb követte egy a kipufogószelep oldalon is (dupla VANOS), de itt a nagynyomású szivattyút már elhagyták, mivel a szükséges olajnyomást a motor

forgattyúszög 7. ábra: lehetséges szeleplöketgörbék

teljes terhelés

szívócsõállás

szívó vez. teng.

kipufogó vez. teng.

hosszú

korai

kései

hosszú

kései

kései

rövid

korai

kései

rövid

kései

kései

részterhelés

korai

kései

üresjárat

kései

korai

8. ábra: VW6-os kettõs vezértengely állításának szabályzási stratégiája

autótechnika 2002/9

27

motortechnika

a vezértengelyek lánchajtása védõernyõ olajtér

proporcionális szelepek

rotor

vezértengely

9. ábra: a VW VR6-os motor kettõs vezértengely-állítója

olajnyomása biztosította. A VANOS-rendszerrel a vezér0 tengelyt 60 ft forgattyús tengely szögig lehet elforgatni. A vezértengelyt meghajtó nyomatékkal mindkét vezértengelyt a „késõi” irányba forgatták el. Mivel motorindításnál és üresjáratban lehetõleg kis szelepátfedés szükséges, a kipufogószelep vezértengelyét a „korai” irányba kell elforgatni. Ennek segítésére a kipufogó oldalon egy nyomórugót szereltek be. A vezértengely szükséges állása a motorparaméterek, terhelés, fordulatszám- és motorhõmérséklet függvénye. A motor szelepátfedése és maradékgáz-hányada a NOx-emisszió csökkentéséhez illeszthetõ, mely gyakorlatilag egy külsõ kipufogógázvisszavezetõn keresztül következik be. A második generációval a fejlesztési célkitûzés tehát további fordulatszám-tartományokban a teljesítmény, illetve a forgatónyomaték növelése volt, és az üresjárat, valamint a kipufogógáz minõségének a javítása.

A harmadik generáció: VaneCAM A vezértengely-állítók új generációját az irányváltó motor elvére alapozott szerkezet jelentette. A második generációhoz képest ez még kompaktabb és költségkímélõbb kialakítást jelent, elõsegítve ezzel beépítését kisebb motorokba is. A szívó és kipufogó oldali vezértengelyekre illesztett állítók a meglévõ hengerfejekre ráépíthetõk. Az állító belsejében található a vezértengellyel összekapcsolt, elforgatható rotor (6. ábra), a külsõ részt pedig lánccal vagy fogazott szíjjal hajtják. A külsõ és a belsõ rész közötti kapcsolatot az olajtér jelenti, melyben a motorolaj nyomása uralkodik, és benne helyezkedik el a rotor is. A rotor lapátjainak mindkét oldalán a megfelelõ olajnyomás biztosításáról egy elektronikusan vezérelt 4/3-utas proporcionális (arányos mûködésû) szelep gondoskodik. A rotor mindkét oldalán bekövetkezõ olajnyomás-változás függvényében változik a vezértengely viszonylagos szöghelyzete is. A 7. ábra mutatja be a vezértengely lehetséges szöghelyzeteit, illetve a vezérlési idõ állásokat. A szaggatott vonalak a lehetséges vezérlési idõhatárokat jelentik.

28

Rotor a „késõi” állásban 10. ábra: kettõs vezértengely-állító az AUDI 3,0l-V6-os motorján

A vezértengely helyzetérzékelõje által mért szögértéket a motorelektronika által elõzetesen megadottal (alapjel) hasonlítják össze, és a proporcionális szelepre adott vezérléssel a vezértengely kívánt állását állandóan utánszabályozzák. Példaként egy VW-motor kettõs vezértengely-állító stratégiáját követhetjük végig a 8. ábrán. Egy kapcsolható szívócsõvel, valamint a szívó és kipufogó vezértengelyállítóval felszerelt szívómotor esetében mutat be négy elvi állást a megfelelõ rövid és hosszú szívócsõ állás esetén. Ezzel az ábrázolással jól érzékeltethetõ a különbözõ szívócsõhosszak befolyása, kombinálva a vezértengelyállítókkal a szívó- és kipufogószelep-állásokra. Ilyen szabadságfok mellett kidolgozható és véglegesíthetõ az értelmes állítási stratégia. A motor kialakítása függvényében ez a stratégia különbözõ lehet. Például nagy forgatónyomaték elérése érdekében, közepes fordulatszám esetén hosszú szívócsõcsatorna szükséges. Erre az esetre a szívószelep vezérlése a növekvõ fordulatszám függvényében a „korai” állásról a „késõi”-re kapcsol. Nagyobb fordulatszámnál egy rövidebb szívócsõhossz kapcsolódik be, és a szívás vezértengely-állítása a maximális teljesítmény elérése érdekében a „késõi” irányba történik. A mellékelt táblázatban példaként egy 6 hengerû motor szívócsõ- és az egyes vezértengelyek szelepemelõ görbéinek a vezérlési idejét adták meg 1 mm-es szeleplöket esetén. A szívás oldali vezértengely-állítást a forgatónyomaték növeléséhez speciálisan az alsó fordulatszám-tartományban, és a belsõ kipufogógáz-visszavezetésnél használják, ahol a „szívó nyit” teljesítményállásból a „korai” 0 irányba, maximálisan 52 ft szögértékkel állítják el. A kipufo-

autótechnika 2002/9

motortechnika

gó vezértengelyének elállítása történhet egyrészrõl az optimális üresjárat érdekében „kipufogó zárva” teljesítményállásból a „korai” irányba, vagy a maximális kipufogógázvisszavezetési hányad érdekében a „késõi” irányba, ahol a 0 mindenkori szögtartomány maximálisan 22 ft elfordulási szögig terjedhet. Összehasonlítva egy hagyományos, kétszelepes motort vezértengely-állítás nélkül, egy négyszelepes vezértengely-állítós motorral, üresjáratban a megtaka-1 rítás körülbelül 15,5%-ot, részterhelés esetén 2000 min fordulatszámnál és 2 bar középnyomásnál kb. 5,5%-ot érhet el. Azaz szívó- és kipufogószelep oldali állítással kb. 10%os megtakarítás érhetõ el. Összehasonlítva a fogazott, fokozat nélküli vezértengelyállítókkal, a VaneCAM-rendszer jelentõs költségcsökkentõ és súrlódásszegény megoldást jelent. Az alkatrészeket színterezik és az olajtér tömítése is egyszerû konstrukciós megoldású. A rotor a hengerfejbõl kikerülõ esetleges forgácsot kicsapatja, a forgácsszûrõ pedig összegyûjti és védi a szelepet. A rendszer már 0,5 bar nyomásnál biztos mûködésû. A motor biztonságos indításához a kipufogószelep-állítónál a nagy elállítási szöggel párosulva egy mechanikus reteszelést szereltek be a vezértengelyre szerelt rotor és a vezértengely meghajtása közé, mely a legkisebb állítási nyomás túllépésekor kireteszel. A motor leállításakor a reteszeléssel az állítószerkezet automatikusan beállítja a

autótechnika 2002/9

motor indításához szükséges „korai” kipufogó vezértengely helyzetét. A 9. ábrán a VW VR6-os kettõs vezértengelyállítója, míg a 10. ábrán az Audi 3,0l-V6-os motorjának kettõs vezértengely-állítója látható. Utóbbinál a kipufogószelepek oldalán egy kétpontállítót, a szívószelepek oldalán pedig fokozat nélkül mûködõ állítót építettek be.

Összefoglalás Az elkövetkezendõ években az összes korszerû Otto-motor vezértengely-állítása az irányváltó motor elvén épül fel. A rendszer kompaktabb és az alumínium alkalmazásával könnyebb lett. A gyártási költségek csökkenése elsõsorban a darabszám növekedésétõl várható. Nagy elõrelépést jelenthet a komplett egység egyetlen beszállító kezébe adásától. Várhatóan a két vezértengelyes motorok esetén szétválasztják a két tengely mûködtetését. Különösen a belsõ kipufogógáz-visszavezetés szabályozása fokozat nélkül ható rendszerrel gyakorolhat kedvezõ hatást a kipufogógázkibocsátásra. Dr. Pordán Mihály Felhasznált irodalom: MTZ 2002/4., Hydraulik Ring GmbH prospektusok

29